基于Fluent的散熱仿真分析在LCD光固化桌面機(jī)上的應(yīng)用

來源：安世亞太

導(dǎo)讀：光固化技術(shù)，除了SLA激光掃描和DLP數(shù)字投影，目前形成了一種新的技術(shù)，就是利用LCD作為光源的技術(shù)，簡(jiǎn)單理解就是DLP技術(shù)的光源使用LCD來代替。桌面型打印機(jī)光源位于下側(cè)，通過窗口和離型膜，成型往上拉出。

LCD光固化打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

• 精度高，可輕易達(dá)到平面精度100微米。
• 價(jià)格便宜，性價(jià)比突出。
• 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有激光振鏡或者投影模塊，容易組裝和維修。
• 樹脂通用，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容�？梢酝瑫r(shí)打印多個(gè)零件而不犧牲速度，因?yàn)槭敲娉尚凸庠础?br />

缺點(diǎn)：需要關(guān)鍵部件對(duì)405光有很好的選擇性透過，需要經(jīng)得住幾十瓦405LED燈珠的數(shù)小時(shí)高強(qiáng)度烘烤，考驗(yàn)散熱和耐溫性能。因此散熱仿真也是光固化打印機(jī)研發(fā)過程中的重點(diǎn)。

接下來，主要基于某款LCD桌面機(jī)對(duì)燈源區(qū)的溫度進(jìn)行散熱仿真分析，以期獲得整個(gè)下側(cè)腔室內(nèi)部溫度分布狀況，為后期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

LCD光固化桌面機(jī)模型簡(jiǎn)化處理
某款LCD桌面級(jí)光固化打印機(jī)模型（圖2-1），其中上半部分為打印腔室，下半部分腔室主要包括LED燈泡光源區(qū)以及其周圍的電機(jī)與風(fēng)扇。針對(duì)該打印機(jī)熱仿真需求主要為（1）燈珠內(nèi)腔散熱設(shè)計(jì)是否合理（2）制冷片外側(cè)是否需要加裝水冷。所以重點(diǎn)關(guān)注下部腔室的整體散熱系統(tǒng)包括風(fēng)扇與水冷以及內(nèi)腔下部的散熱片，針對(duì)此款LCD打印機(jī)，此機(jī)型腔體結(jié)構(gòu)流體部分主要進(jìn)行三部分的仿真計(jì)算：

1）內(nèi)腔流場(chǎng)的熱量仿真；
2）流場(chǎng)與周圍固體元件的溫度場(chǎng)仿真；
3）確定正確的半導(dǎo)體元件仿真方案：確定整體散熱情況，是否需要加裝水冷。

對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行打印平臺(tái)下方燈區(qū)內(nèi)腔的散熱性能做評(píng)估，112顆LED燈產(chǎn)生大量熱量會(huì)燒壞板子和屏幕（工作溫度不能超過60度），大大降低屏幕的使用壽命，為了降低溫度燈珠內(nèi)腔側(cè)壁加裝5個(gè)半導(dǎo)體制冷片，使用對(duì)角風(fēng)扇形成內(nèi)部循環(huán)。仿真計(jì)算首先從得到內(nèi)腔的熱流場(chǎng)開始。

圖2-1 LCD機(jī)型整體構(gòu)造

散熱仿真模型的建立
對(duì)LCD燈區(qū)內(nèi)腔模型進(jìn)行幾何清理，主要保留尺寸較大、對(duì)流動(dòng)有明顯影響的結(jié)構(gòu)以及主要的散熱與受熱部件，如內(nèi)部散熱器、玻璃燈罩、兩層亞克力板、PCB板、風(fēng)扇等。內(nèi)部為空氣流域，四周壁面簡(jiǎn)化為絕熱平面，去掉倒角及螺孔。

圖3-1  燈區(qū)內(nèi)腔散熱及上方屏幕示意圖圖

3-2  腔體流場(chǎng)主計(jì)算域

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本部分腔體主計(jì)算域不保留上方鋁板及玻璃屏幕、下方的散熱板以及右側(cè)的半導(dǎo)體元件。風(fēng)扇流量為45標(biāo)準(zhǔn)件（45mm*45mm*10mm）0.04kg/m3。燈源內(nèi)腔尺寸：230mm*417mm*55mm。

整個(gè)仿真模型是基于仿真軟件Ansys 19.2進(jìn)行搭建，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用四面體劃分網(wǎng)格，在細(xì)小結(jié)構(gòu)附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2mm,保證小間隙內(nèi)至少有2層網(wǎng)格。燈區(qū)內(nèi)腔網(wǎng)格總數(shù)為3055362，網(wǎng)格最大畸率為0.8，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖3-3 局部放大燈泡熱源

同時(shí)對(duì)仿真模型進(jìn)行了如下假設(shè)：

1.四周壁面在流場(chǎng)中均按絕熱壁面設(shè)置。
2.上部分壁面分別按照鋁薄壁與玻璃薄壁設(shè)置，粗略估算上方溫度（距離實(shí)際中上方屏幕仍有一段距離）,設(shè)置為自然對(duì)流。
3.內(nèi)腔側(cè)壁的散熱片右側(cè)壁面給出不同的傳熱系數(shù)（模擬不同散熱效率下流場(chǎng)情況），近似看成不同導(dǎo)熱能力下的半導(dǎo)體元件即工況設(shè)置。
4.下方壁面因與散熱器連接，給一個(gè)較大的傳熱系數(shù)，近似模擬為增大散熱面積。
5.燈罩及亞克力板壁面均按照絕熱壁面設(shè)置。
6.循環(huán)氣體介質(zhì)為空氣，密度取1.205kg/m3，粘度為2.593e-5kg/m.s，因?yàn)榱鲌?chǎng)域內(nèi)的溫度范圍理論上不會(huì)太高，所以先假設(shè)空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)。
7.led燈源不是輻射光源，僅考慮空氣的熱對(duì)流，暫不考慮熱輻射，所有熱量加載上表面，功率為3w全部轉(zhuǎn)化為熱能，燈珠PCB電路板按照鋁基板設(shè)置。

圖3-4  熱源施加處示意圖

邊界條件設(shè)置：
操作環(huán)境壓力為101325Pa，四周壁面設(shè)置為絕熱光滑壁面邊界，上下邊界為自然對(duì)流，內(nèi)散熱片右邊界為自然對(duì)流。
氣循環(huán)工況流場(chǎng)邊界條件：風(fēng)扇（2個(gè)）絕對(duì)靜壓10pa。

工況設(shè)置：
內(nèi)腔散熱器右側(cè)外壁面設(shè)置三種不同的傳熱系數(shù)，近似模擬無半導(dǎo)體情況，加裝散熱片情況以及更高效率下的散熱情況。

表格3-1工況設(shè)置

仿真計(jì)算結(jié)果及分析
結(jié)果重點(diǎn)展示速度與溫度云圖，顯示面為XZ中截面（Y=-43.75 mm），上玻璃與鋁板俯視圖。截面見圖4-1。XZ截面 （灰色）位于兩個(gè)風(fēng)扇以及內(nèi)散熱的中心位置，便于觀察內(nèi)腔的流場(chǎng)結(jié)果。上部頂板的俯視圖觀察頂部的溫度結(jié)果。

圖 4-1中截面位置圖

圖 4-2中截面速度云圖

從中截面的速度云圖看出，對(duì)角風(fēng)扇形成的流場(chǎng)是基本對(duì)稱的，內(nèi)腔中間的流速均勻，這樣就達(dá)到了使內(nèi)腔的熱量隨著氣體均勻分布其中，對(duì)散熱起到了良好的推進(jìn)作用，由于對(duì)流存在，氣體有向散熱片流動(dòng)的趨勢(shì)，由于散熱片的存在，熱量向散熱區(qū)聚攏，散熱設(shè)計(jì)起到了效果。

由中截面溫度云圖可以看到隨著傳熱系數(shù)的增大，溫度在相同位置得到了下降。而工況一頂面的俯視圖看到，無論是玻璃頂層還是鋁板頂層均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了60度，即在不加散熱的情況下，會(huì)影響配件的使用壽命，隨著傳熱系數(shù)進(jìn)一步提升，頂部溫度下降十分明顯。

結(jié)論
隨著外側(cè)墻壁的導(dǎo)熱率的提高，近似模擬了半導(dǎo)體即散熱系統(tǒng)的存在，對(duì)內(nèi)腔的散熱起到了良好的效果，頂部溫度下降明顯。對(duì)角風(fēng)扇的設(shè)計(jì)合理，使得內(nèi)腔形成均勻流場(chǎng)對(duì)散熱起到積極作用。

—作者—
薛一戈
安世亞太流體工程師，伊利諾伊理工機(jī)械與航空航天工程專業(yè)，碩士學(xué)位，超過2年的汽車行業(yè)CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真，擅長(zhǎng)湍流、邊界層、多相流、顆粒物等多個(gè)領(lǐng)域的仿真與CFD分析，目前主要參與增材設(shè)備的流體仿真分析項(xiàng)目，積累大量3D打印設(shè)備流體優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。